书城医学儿童骨与关节损伤
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第4章 儿童骨折的生物学与生物力学(1)

长管状骨的初级骨化中心通常在出生前已经形成,而比较小的骨骼,例如髌骨、多数掌骨、跖骨,到婴幼儿期才开始骨化。在婴幼儿期、儿童早期,次级骨化中心开始骨化,到青少年期和成人早期,这些次级骨化中心与初级骨化中心融合。由于在儿童时期,骨骼以一定顺序和方式不断发育和成熟,因此,从X线片上确定的骨化范围,通常成为估计骨骼发育成熟程度的标准。

虽然在胎儿时期有编织骨形成,但这种编织骨缺乏完善结构,且因为胶原成分相对比较多,比板层骨更富有弹性。恰是这种弹性,是胎儿横向通过产道所必须的条件。编织骨内的胶原纤维呈现编织状排列,因而被称为编织骨。编织骨内基质钙化也不规则,而且编织骨内含有丰富的成骨细胞和骨细胞,单位容积内骨细胞数量是板层骨的4倍,因此,其骨沉积和骨吸收的速率都比较迅速。在婴幼儿期,这些编织骨逐渐被板层骨所替代,只有少量的编织骨持续存在。在整个儿童时期,皮质骨也不断増厚,例如股骨干直径的増加,通常快于髓腔直径的増加。随着年龄増加,骨皮质不断増厚,而且主要由板层骨所构成。因为板层骨有成比例的钙盐沉积,使成熟的骨傲抗张强度达到铸铁的水平,但比铸铁轻2/3、韧性大10倍。

儿童发育过程中,骨骼结构和组成上发生的改变,是婴幼儿、儿童和青少年,产生不同类型骨折的结构基础。编织骨与板层骨的区别。

(第一节)儿童骨关节的生长与发育

一般将骨骼形成分成三个阶段,首先在胚胎第4周体节期,间充质细胞开始凝聚,成为将来骨骼形成的雏形;第二个阶段为软骨化阶段,在胚胎第6周凝缩的间充质开始软骨化,形成骨骼的软骨原基,也是间质生长的迅速时期;最后阶段,经过骨膜内成骨和软骨内成骨,使软骨转变为骨骼组织。

在胎儿时期,多数长管状骨的骨干出现初期骨化中心。起初在软骨膜的深面,软骨内的肥大细胞开始变性;继之有血管侵入,使软骨原基的中央开始骨化,从而形成初级骨化中心,并在软骨与骨骼的界面上不断扩展。其后,在长管状骨的两端形成次级骨化中心,而位于初级与次级骨化中心的软骨组织,成为骨生长板即骺板(growthplate),骺板是从胚胎第9-10周开始,到15-17岁骨骼发育成熟期间,使管状骨持续纵向生长的唯一结构。

一般将骨骼的生长发育分成骨膜内成骨和软骨内成骨两种基本形式。骨骼是一种硬组织,不能从内部膨胀的方式进行生长,只能在已经存在的结构上形成新骨,骨膜和软骨就是骨骼生长的中间结构。实际上软骨内成骨有骨膜附加性生长的膜性化骨,而骨膜内成骨也经历软骨生长的过程。

骨膜生发层内有丰富的骨祖细胞,是骨膜内成骨的基础。骨祖细胞不断増殖和分化,形成成骨细胞,后者不断的合成骨基质,再经钙盐沉积,从而形成骨组织。骨膜内成骨是颅骨、躯干骨等中轴骨的主要发育方式。正在发育中的管状骨骨干的骨膜,不断増殖产生新骨形成骨皮质,再经过塑型形成骨单位。周围骨膜的骨化过程,既广泛又迅速,使年幼儿童的骨折愈合迅速愈合。当发育中的骨干或干骺端,作为骨移植材料被切除,周围骨膜的迅速骨化,可完全替代、修复由此产生的骨骼缺损。

软骨内化骨是由软骨介导的骨化过程,骺板是软骨内化骨的典型代表。这种化骨方式是骨组织生成与替代已经存在的软骨同时发生。整个过程是连续的,但可人为的分为几个步骤:(1)间充质凝聚形成基本的原基;(2)基质増加产生前软骨模型;(3)中央的软骨细胞开始发生肥大性改变;(4)肥大的软骨开始骨化,在将来成为骨干的部位,形成管状的原始骨领,并形成富有血管的骨膜;(5)纤维血管组织穿入原始骨领,启动软骨骨化阶段。初始在血管侵入的周围发生骨化,继之骨化范围扩大,向软骨原基的两端延伸,形成初级骨化中心。初级骨化中心包括骨干和部分干骺端,但位于初级骨化中心两端的骨骺和骺板,仍然完全由软骨结构。此时,形成有序排列的骺板和具有活跃塑型功能的干骺端。侵入原始骨领的部分血管成为骨骼的营养血管。(6)经软骨管系统实现软骨性骨骺的血管化。继而在软骨性骨骺内出现次级骨化中心,但多数次级骨化中心,在出生之后的不同年龄,有规律的开始骨化。

儿童骨骼生长是一个复杂的过程,一般可分为纵向和横向生长。由于发生在骨骼的不同部位,因此,需要从不同解剖部位分别介绍其在生长中的作用。从解剖学上可把儿童骨骼的生长分成四个区域,包括骨骺、骺板、干骺端和骨干。因为生理学和生物力学的作用,这些不同的区域也在不断的发生变化,与生后大体上的发育发生相一致的改变。

骨干区构成每一长骨的主要部分,主要由骨膜形成的骨组织,附加在原始软骨雏形上形成的骨干区,逐渐替代初级骨化中心产生的原始松质骨。原始松质骨在干骺端被继发松质骨所替代。出生时的骨干由缺乏Haversian系统的骨板构成,而新生儿的股骨干是唯一例外的部位。新生儿的股骨干在出生之前,其胎儿骨已经改变成更为成熟的骨单位。骨外膜介导的骨膜内成骨,同时伴有骨内膜的塑型,使骨干区的直径増大、皮质増厚和髓腔形成。骨板内部不断改建、骨单位的不断形成,是骨骼成熟的主要特征。新生儿和年幼儿童骨干部位的骨骼含有非常丰富的血管。在横切面上观察,其骨骼的密度明显的低于年长儿童和成人。随着骨骼的生长,复杂的Haversian系统増多,细胞外基质合成量増加,导致横切面上的孔隙减少和骨骼硬度増强。这些因素的不断改变,使不同年龄儿童容易发生不同类型骨折的倾向。某些骨骼特别是胫骨,随着骨骼的成熟而血管却显著减少,不仅影响骨折愈合的速度,也影响骨折的愈合能力。

干骺端是骨干两端的膨大部分,以皮质变薄和继发松质骨区骨小梁増加为主要特征。初期在中央部位的软骨内出现改建,并在周围形成原始松质骨。继之经过再塑型,产生更成熟的次级松质骨。这是有成骨细胞、破骨细胞参与的骨溶解过程。干骺端比其他部位的骨转换率高,从"锝骨扫描吸收増强可得到证实。干骺端皮质也随时间发生某些变化,与相邻的骨干相比较,骨皮质更薄和孔隙更多。孔隙中富含的血管纤维组织连接髓腔和骨膜下区的骨皮质。临近骺板的骨皮质孔隙更多,而临近骨干部位的皮质密度却不断増加,并逐渐移行到骨干的骨皮质。由于暂时的继续纵向生长,骨皮质的孔隙不再是主要的特征,骨皮质的宽度増加,在骺板与骨干皮质形成一形态上移行区。直到骨傲成熟的晚期,干骶端才广泛出现次级和三级Haversian系统,这些显微解剖学的变化显然与骨折类型直接相关联,也是年幼易发生干骺端隆凸型骨折,而不发生于骨骺和骺板的原因。干骺端的另一显微解剖学改变是在初级松质骨与骺板肥大区的移行部位。生长速度较快的骨骼,此区域的骨小梁倾向于纵向分布,而生长期的短骨如掌、指骨的骨小梁则以横向排列。进入青春期生长速度下降后,

主要长管状骨的骨小梁也呈横向排列。骨小梁排列方向的改变,是干骺端-骺板区对异常应力的反应,也倾向发生某一类型的骨折。

虽然骨干部位的骨膜与皮质连接比较松弛,但在干骺端有复合纤维组织与孔隙内的纤维组织相连续,使骨膜坚强的附丽在干骺端。骨内膜、骨外膜和骨内纤维的混合连接,明显増加了干骺端的生物力学强度。骨膜不仅紧密的附着骺板周围,也与Ranvier骨化沟、骨骺的软骨膜相混合。多孔隙的干骺端皮质延续到骺板部分,有一层很薄的环状皮质称为Lacroix环。深层的Ranvier骨化沟为骶板的附加性生长提供细胞,浅层为Lacroix软骨膜纤维环,使骺板与干骺端的紧密连接。干骺端周围及中央区域,均是骨组织塑型和改建较为广泛的部位。干骺端多孔隙的骨皮质,因骨膜成骨使骨小梁改变成骨皮质,

导致其皮质厚度不断増加。骨内膜也形成新生骨皮质。由于干骺端増厚,骨小梁内也有骨干部位的骨单位不断侵入,如同骨折一期愈合时骨单位横行穿入骨折部位。随着骨骼的纵向生长,干骺端的骨皮质持续的向骨干的骨皮质转变。隆凸型骨折最可能发生在小梁骨丰富。

在骨干部位通常没有肌肉的直接附着,只有肌纤维与骨膜连接。内收肌群附着股骨干远端的内侧则是一个例外,此部位因肌肉的附着和广泛的改建,使局部的骨骼呈不规则的外观,可被误解为慢性损伤(应力性骨折)、感染或肿瘤。

Harris线又称为Park横向线,是在一些骨骼的干骺端上,表现为线状分布的横向、

致密的骨小梁,与连续的骺板轮廓线极为相似。在X线片上表现为致密的一条横线,并与骺板线相平行。它们多在外伤后出现,尤其多见于因股骨干骨折牵引而卧床的儿童。

也见于全身性疾病和局部性疾病如骨髓炎。

这些横向线多系损伤或疾病期间,骨骼正常的纵向生长暂时性缓慢或停止所致。因此,

通常被称为Harris生长缓慢线或生长抑制线的骨骼出现纵向生长抑制,是出现横向线的前提。在生长缓慢或生长抑制的早期阶段,沿着骺板的増殖层,形成横向排列的薄层骨板。当骺板増殖层恢复了纵向生长,横向的薄层骨板则变成在x线片上可见的横向线。

由于暂时性生长缓慢,初级松质骨的横向骨小梁多于纵向骨小梁,导致临近骺板的初级松质骨暂时性増厚。一旦恢复正常的纵向生长,骨小梁也恢复其纵行方向,而横向的骨板则被保留,但最终将被改建成次级松质骨。横向的生长抑制线所位于的骨骼及部位,通常呈现对称分布,多位于干骺端最粗且生长最为迅速的骨骼,如股骨远端和胫骨近端。在生长最缓慢骨骼的干骺端,横向线尚未形成或非常薄,直接位于预备钙化带下方,并与预备钙化带的轮廓线相平行。有时出现数个相互平行的横向线,但离骨干最近的横向线最厚和最宽,而临近骺板的横向线却很细,或者不明显,通常有中断和不规则的现象。最终这些横向线将完全消失,并受到骨内膜的改建变成骨干的一部分。

在生长迅速的骨骼,通常在临近骺板的部位出现纵向骨小梁。生长缓慢的骨骼如桡骨近端、掌骨和指骨,正常初级松质骨内也有大量的横向骨小梁。因为许多短小骨骼,初级松质骨内的横向骨小梁是标准生长方式,因此,出现横隔和生长比较缓慢是正常的发现。这些特殊的骨骼因骨小梁的方向没有明显的不同,以致在放射线上看不到横向线。然而,在以纵向骨小梁为正常特征的生长迅速部位,如出现生长缓慢,并在初级松质骨中出现较多的横向排列的骨小梁。这时骨骼明显増厚,并可能与生物力学应力作用时间的长短有关。一旦恢复正常速度的纵向生长,骨小梁也恢复纵向排列的方式,横向的间隔和临近骺板的骨板,与原来纵向骨小梁形成对比,在x线片上表现为特殊的横向线。随着干骺端的改建,初级松质骨转变为次级松质骨,这些横向的骨小梁也逐渐消失。

Harris生长抑制线是一种生物性的标志线,对分析损伤对生长的影响有着重要的作用。在股骨干骨折时,测量和比较两侧与骺板的距离,可确定股骨骨折后的过度生长。胫骨近端干骺端骨折后,测量该线与骺板是否平行,有助于确定引起外翻畸形的内侧偏心性过度生长。如出现向横行线向骺板倾斜,提示局部有影响生长机制的损伤,可能产生骺板骨桥和发生成角的危险。

骨骺是儿童骨骼的重要部分,通常位于管状骨的两端。除外股骨远端骨骺,在出生时每一长骨两端的骨骺,均是软骨结构。这也包括手足的短状骨。这种由软骨构成的结构称为软骨性骨骺(chondroepiphysis,

(6);与此相对应的是出现骨化中心的骨骶,称为软骨-骨性骨骶(chondro-osseousepiphysis,每软骨性骨骺,在某一特定的时间出现次级骨化中心,并逐渐増大直到骨骼发育成熟时完全被骨组织所替代。这种软骨向骨组织转化是依赖血管的过程。随着骨化中心的扩大,骨骺也发生结构的改变。临近骺板的区域形成与干骺端相平行软骨下骨板,从而产生可透X线的骺板线。在软骨骨骺内,因次级骨化中心的形状,以及不断的増大,使骨化中心、临近骺板和干骺端容易发生某种类型的骨折。随着次级骨化中心的増大,使更具弹性的骺软骨硬度增加。骨骺的表面由关节软骨或软骨膜覆盖肌纤维、肌腱和韧带可直接附着于软骨膜,而软骨膜与深面的透明软骨紧密连接。这种解剖特点对产生某种类型骨折,特别是容易发生骨飯和骺板骨折有一定的意义。软骨膜对骨骺的离心性持续增大起着一定的作用,也与骨膜有精细的连接。软骨膜与骨膜的延续,増强了骺板干骺端移行部位的机械强度。

当软骨骨骺的透明软骨首先出现时,则很难在组织学上将关节软骨与其他的骺软骨作出区别。在某一阶段,关节软骨的细胞増殖趋于稳定,并表现出与其他骨骺软骨不同的功能。目前还没有可行的技术,将不同的软骨细胞群做出生物化学上的明显区别。Mckibbin在动物实验中,将含有关节透明软骨的连续核心从骨骺上移除,将其旋转180°后再嵌入原来的部位,置换的透明软骨最后在关节表面形成骨组织,而关节软骨仍然为软骨,并由増大的次级骨化中心包裹,由此证明正常的关节软骨不具备钙化和骨化的能力。骨骼发育成熟后,潮状标志线成为关节软骨与钙化的骨骺透明软骨分界线。Mckinbbin实验可以解释某些骨折不愈合,是因为骨折块了发生了旋转,使关节面与干骺端或骨骺骨性部分相对应,这种情况下骨折不可能愈合,因为关节软骨不具备骨折愈合的基本能力,即没有修复性的成骨反应。过去将这种骨折不愈合归因于骨折块周围有滑液存在,滑液中有敏感的化学物质阻止骨折愈合。然而,同样的滑液似乎不能阻止没有移位骨骺内骨软骨骨折的自行愈合。